Pour enfin se mettre d'accord sur la définition de l'altération et de l'érosion

Qu'est ce la « zone critique » ? Le « sol », terme polysémique, est une notion bien difficile à définir. C'est à la fois la surface de séparation entre l'air et la terre (un avion se pose sur le sol), la fine couche organique cultivable sous cette surface comme le définisse l'agronome ou le cultivateur, c'est, enfin, tout ce qui est entre cette surface et les roches dures de la lithosphère pour le géologue, une zone appelée parfois le saprolite (littéralement “roche pourrie”) dans les livres de géologie pour désigner son caractère meuble et altéré. Mais où doit-on arrêter le saprolite vers le bas ? Ou commence le sol de l'agronome ? Ces problèmes ne sont pas que sémantiques. Ils témoignent de la grande diversité des disciplines qui s'intéressent, pour des raisons fondamentales ou appliquées, au “sol” et qui ont développé chacune leur langage. Le géologue s'intéresse à la formation des paysages, équilibre entre formation par les forces tectoniques et destruction du “sol” par les agents du cycle de l'eau ou par le vent. L'écologue s'intéresse aux relations entre les êtres vivants de l'écosystème et à leurs relations avec le “sol”. L'agronome se préoccupe de la fertilité du “sol”, de son maintien. L'hydrologue veut comprendre comment l'infiltration dans le “sol” et l'évapotranspiration par les végétaux participent à la formation de la ressource en eau, etc. Mais à chaque fois, le “sol” est différent.

À l'initiative d'un petit groupe de géochimistes, le concept de « zone critique » est apparu il y a quelques années dans la communauté des chercheurs pour prendre un peu de recul sur cette hyperspécialisation des recherches concernant ce qui est finalement le milieu de vie des humains. La zone critique est comprise « entre les roches et le ciel » (Figure 1). Elle se forme par des réactions de transformation de la roche dure en un matériau divisé et poreux, elle se détruit par l'exportation de ses constituants. Elle comprend des minéraux, de la matière organique morte, des êtres vivants qui vivent à sa surface ou à l'intérieur (biomasse profonde), de l'air et de l'eau, de surface (ruisseau, rivières, fleuves) ou profonde (nappes non confinées à différentes profondeurs, y compris dans les fractures très profondes des roches). Tous ces compartiments sont connectés (sol-eau-air-végétation). La zone critique est l'interface entre la météorologie, le climat et la géologie ; point de confrontation de l'énergie solaire qui active le cycle de l'eau ou la photosynthèse et de l'énergie interne qui construit les reliefs. La zone critique est une des interfaces critiques de la Terre, qui a permis la régulation de la teneur en gaz carbonique au cours des temps géologiques. Elle est aussi critique car étant le milieu de vie des humains (c'est de cette fine couche que nous nous nourrissons, sur cette zone que nous construisons, de cette zone que nous tirons notre eau…), il faut en prendre soin. La zone critique recentre la question environnementale autour de la question, si difficile à décrire, de notre « sol ». Du point de vue de la recherche, nous sommes encore loin d'être capable de modéliser les interactions complexes qui se produisent dans la zone critique et produisent des scénarios prédictifs, et nous espérons progresser vers une approche plus systémique de la zone critique.

Source - © 2017 J. Gaillardet et al. [2]

Figure 1. La “zone critique” de la Terre est étudiée par de nombreuses communautés de recherche ce qui rend difficile le partage de termes communs

En France, une infrastructure de recherche OZCAR (Observatoires de la Zone Critique, Applications et Recherches) a été constituée en 2016, et regroupe tous les observatoires instrumentés dans lesquels les organismes de recherches publics (CNRS, INRAE, IRD, Météo-France, ANDRA…) et les universités investissent dans la surveillance à long terme de la zone critique. L'originalité de ce réseau est de rassembler des chercheurs de disciplines très variées (comme l'écologie, la géologie, la pédologie, l'hydrologie, la géomorphologie, la géophysique, la géochimie, l'agronomie, l'hydrométéorologie, la glaciologie) et de coupler les méthodes d'investigation. Les observatoires d'OZCAR sont nombreux et fournissent des données publiques, consultables en lignes comme des débits d'eau, des flux de sédiment, des compositions chimiques de rivières, etc, pouvant très bien être utilisées en classe.

Un questionnaire a donc été distribué dans la communauté des chercheurs correspondant au périmètre de l'infrastructure nationale de recherche OZCAR. Le dépouillement des réponses a permis de mieux connaître les représentations des différentes communautés et de préciser les formulations initiales pour aboutir à des définitions acceptées par tous. Ceci ne signifie pas que ces définitions ont été “votées” ni qu'elles seront désormais utilisées rigoureusement par les différentes communautés de chercheurs. Sur la base de cette enquête, nous proposons ici les définitions de l'altération et de l'érosion qui sont le plus consensuelles et prêtent le moins à confusion. Comme toutes les définitions, elles sont arbitraires, et possèdent des limites. Pour l'enseignement du lycée, elles nous semblent suffisantes.

L'altération désigne l'ensemble de deux processus : i) la fragmentation mécanique d'une roche sans transformation chimique ou minéralogique, ii) sa transformation avec une modification de sa composition chimique ou/et minéralogique. L'altération permet donc la formation de la zone critique par ces deux processus d'altération mécanique et chimique qui sont couplés. L'altération chimique implique de la dissolution (mise en solution des éléments chimiques solubles des minéraux primaires comme le sodium et le calcium ou le silicium) et la précipitation de nouvelles phases impliquant les éléments les moins solubles dans l'eau (les minéraux secondaires, argiles et oxydes de fer et d'aluminium). Une des meilleures illustrations de l'altération chimique consiste à observer la pellicule d'altération visible autour d'un fragment de roche comme une bombe volcanique (Figure 2).

Avec la dissolution (par exemple des évaporites), l'hydrolyse (action des protons issus de la molécule d'eau) et l'oxydation sont les deux autres formes d'altération chimique les plus fréquentes. Comme exemple d'altération physique, on peut penser à la cryoclastie, c'est-à-dire l'effet de l'alternance gel-dégel sur les roches (Figure 2). Comme le volume molaire de la glace est supérieur à celui de l'eau liquide, de l'eau liquide qui remplit une fracture va en gelant faire naître des contraintes qui peuvent élargir la fracture et conduire à transformer progressivement la roche en un amas de débris. À noter que suivant cette définition de l'altération, la décomposition de la matière organique de la litière pourrait s'appeler « altération organique ».

Source - © 2019 J. Gaillardet – C. Valentin

Figure 2. Exemple d'altération chimique d'une bombe volcanique en climat tropical (la pellicule extérieur résulte de la transformation de la roche qui demeure intacte au centre) et d'altération physique par l'alternance gel-dégel (cryoclastie)

Les facteurs de l'altération sont des agents météoriques (glace, pluie, vent), chimiques (par exemple l'acide carbonique H₂CO₃ ou l'oxygène), et des organismes vivants (des cyanophycées aux racines de ligneux en passant par les lichens, mousses, champignons, les animaux et l'Homme). Même si on ne connait pas bien les mécanismes d'altération par les bactéries, cyanobactéries ou les champignons, il est fort probable que l'essentiel des réactions d'altération chimique soient causées par des êtres vivants. La décomposition des végétaux et la respiration des racines fournissent du reste l'acide carbonique qui acidifie les solutions qui percolent dans la zone critique et altèrent les minéraux. L'altération permet la pédogenèse, i.e. la formation des sols – comprendre, de la zone critique.

L'érosion désigne les processus de transferts latéraux d'éléments (mobilisation) qui peuvent être des particules minérales ou organiques (érosion physique appelée également érosion mécanique) ou des substances dissoutes inorganiques ou organiques (érosion chimique). Si l'altération est statique, l'érosion désigne la mise en mouvement de la matière, même sur des distances limitées. L'érosion s'exprime en masse ou volume de matière par unité de temps. Pour comparer des régions de surface variables, on normalise à la surface (par exemple d'un bassin versant) et on arrive alors à exprimer l'érosion en t/km²/a. Pour donner un chiffre plus parlant, on l'exprime en mm/a ou mm/1000 a en divisant des t/km²/a par la masse volumique (2,7.10³ kg/m³ pour la croûte continentale). La Figure 3 indique comment on fait cette transformation. Alors que cette définition de l'érosion ne le nécessite pas, on trouve souvent le terme de « flux d'érosion » dans la littérature et les livres scientifiques, ce qui est un abus de langage et une manière de dire deux fois la même chose puisque l'érosion implique un flux de matière.

Source - © 2019 J. Gaillardet – C. Valentin

Figure 3. Pour convertir l'érosion ou la dénudation mesurée à l'exutoire d'un bassin versant en masse par unité de temps (en pesant un filtre par exemple), il faut connaître la densité de la roche qui subit l'altération

Les principaux agents de l'érosion sont l'eau, la glace, le vent et le travail du sol. L'érosion peut mettre en mouvement des minéraux primaires ou des minéraux issus de l'altération (minéraux pédogénétiques). L'érosion peut déplacer des matériaux presque pas altérés chimiquement (arrachés aux montagnes par exemple) et les déposer à des endroits où ils subiront une altération chimique (et/ou physique). Par exemple, les particules non altérées arrachées à la chaine himalayenne lors des évènements de mousson se déposent dans la plaine indo-gangétique où ils subissent une altération chimique dans des conditions tropicales humides favorables. D'une manière plus générale, les plaines d'inondation sont des silos permettant à l'altération chimique de se faire. C'est aussi l'une des expressions du couplage altération-érosion.

L'érosion se manifeste selon une très large gamme d'échelles de temps et d'espace : depuis l'impact d'une goutte de pluie qui provoque le “splash”, ou un glissement de terrain qui se produit en quelques minutes, jusqu'à l'érosion très lente de massifs rocheux qui se produit sur des échelles de temps géologiques. L'érosion est un processus naturel qui peut être considérablement accéléré par les activités humaines (défrichement de forêt, transformation de pâturages en champs cultivé, etc.). L'Homme est lui même un agent d'érosion considérable car il déplace environ 10 fois plus de matériaux que l'érosion naturelle. Il est à l'origine de ce que l'on désigne par « érosion accélérée », par opposition à l'érosion « naturelle » ou « géologique ».

Une des limites de ces définitions est que l'altération n'est jamais purement statique. Lorsqu'un minéral primaire se transforme en un minéral secondaire, les atomes qui le constituent passent en solution avant de précipiter, pour les plus insolubles d'entre eux. Les pédologues savent que des redistributions d'éléments se font à l'intérieur d'un profil de sol (par exemple lors de l'accumulation de cuirasses ferrugineuses). Il y a donc mouvement là aussi, mais on peut considérer que ce mouvement ne se fait que sur de courtes distances et essentiellement de manière verticale (ou « autochtone »).

La dénudation désigne la perte nette de masse d'un relief ou d'une surface terrestre sous l'effet combiné des processus d'érosion (physique et chimique). Elle exprime donc un flux – ou taux, ou vitesse – de matière par unité de surface et de temps, ou d'une hauteur par unité de temps, comme dans le cas de l'érosion.

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Figure 4. Représentation conceptuelle du lien entre érosion chimique, érosion physique et dénudation

La zone critique garde une épaisseur constante si sa vitesse de formation est égale à sa vitesse de dénudation (érosion chimique + physique).

Dans le schéma de la Figure 4, on a représenté les flux correspondant à l'érosion chimique W (de l'anglais weathering) et physique E (de l'anglais erosion) par des flèches rouge et bleue respectivement. La dénudation est donc la somme des deux termes : D = W + E.

Ces deux grandeurs sont rarement égales et, en général, l'érosion physique ou mécanique est nettement supérieure à l'érosion chimique. On caractérise le régime d'altération (chimique) par le rapport W/D, qui est la proportion de la matière qui est perdue par érosion chimique. Un régime très intense voit l'essentiel de la roche se dissoudre, un régime d'altération chimique peu intense implique que le matériau exporté par l'eau, le vent, la glace est très proche chimiquement de la roche de départ.

Sur ce schéma, on voit que si la dénudation est égale à la quantité de matière qui a été transformée par les réactions d'altération chimique et physique (P, pour production) dans le même temps, alors la zone critique est à l'état stationnaire, ce qui signifie qu'elle garde une épaisseur constante au cours du temps. Elle se comporte comme un tapis roulant : de la matière rentre dans la zone critique, de la matière en sort sans que rien ne s'y accumule ou ne se perde (P = D). Si P est plus grand que D, alors la zone critique est dans une phase d'épaississement. Si P est plus petit que D, alors la zone critique disparaît. C'est ce que l'agriculture motorisée a causé à la plus part des surfaces cultivées.

On peut définir à l'état stationnaire, un temps caractéristique, appelé temps de résidence, qui est le rapport H/D. Ce temps est le temps moyen qu'une particule formée à la base du profil passe dans la zone critique avant d'être exportée.

Il existe de nombreuses méthodes permettant de déterminer l'érosion chimique et physique. Elles ne sont pas les mêmes suivant les échelles d'espace et de temps, et donc selon les communautés. La méthode utilisant les isotopes cosmogéniques (i.e. produits par le bombardement dû aux rayons cosmiques sur les roches) est utilisée par les géologues (en particulier la méthode basée sur le ¹⁰Be). Ces mesures donnent des vitesses d'érosion intégrée sur plusieurs milliers d'années. Les géologues utilisent aussi les images satellitales ou la reconstitution de relief pour déterminer des volumes manquants. Connaissant l'âge, on divise le volume manquant par le temps écoulé, ce qui fournit une vitesse d'érosion. Pour les échelles plus courtes, qui intéressent agronomes et hydrologues, on utilise en général une surface de référence (comme le bassin hydrographique ou bassin versant). En prélevant, le plus souvent possible, l'eau à l'exutoire de cette surface et en la filtrant de manière à séparer charge dissoute et charge particulaire, on détermine la quantité de masse exportée chimiquement et celle exportée physiquement. La charge dissoute ne provient pas nécessairement uniquement des réactions d'altération et il est donc nécessaire de corriger des apports autres, comme ceux dus à la pluie ou aux engrais. Une fois corrigée, la masse totale des éléments dissouts par litre donne l'érosion chimique. L'érosion physique est calculée en pesant la quantité de matière en suspension retenue par le filtre (en général constitué de pores de 0,2 ou 0,4 µm) par litre d'eau. À cela s'ajoute les sédiments grossiers qui ne se déplacent pas par suspension, mais au fond du cours d'eau (la « charge de fond »), qu'il est plus difficile de quantifier. En connaissant le débit d'eau liquide, on obtient l'érosion chimique, par exemple en t/a, et en divisant par la surface de l'aire drainée, on l'obtient en t/km²/a. La Figure 5 montre l'exemple d'une station de jaugeage (la section géométrique de la rivière permet une détermination précise du débit d'eau) de la rivière d'un bassin versant en Thaïlande. La couleur foncée du cours d'eau prouve une érosion physique forte. On peut se procurer des données de concentration en matière dissoute et solide dans de nombreux observatoires de recherche de la zone critique et calculer ainsi des vitesses d'érosion. On peut aussi faire la “manip” de filtration avec une classe à la condition de posséder une balance de bonne précision, un appareil de filtration et des filtres.

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Figure 5. Photographie d'une station de mesure du débit de l'observatoire de Houay Pano, au Laos

Cet observatoire fait partie de l'infrastructure de recherche OZCAR. Ses données sont consultables en ligne. La richesse en sédiments en suspension témoigne d'une forte érosion physique.

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Figure 6. Érosions chimique (W), mécanique (E) et totale (dénudation, D) calculées pour quelques grands fleuves de la planète

Le rapport W/D trace ce qu'on appelle l'intensité d'altération. Rappel : 1 ka = 1000 ans.

On donne dans la Figure 6 les valeurs de l'érosion chimique et de l'érosion physique, calculées à partir des données de quelques grands fleuves mondiaux. Ils intègrent l'érosion sur de grandes surfaces et donnent donc une idée des ordres de grandeur moyens de la dénudation sur la planète. Ces chiffres sont représentés graphiquement sur la Figure 7. Tous montrent que l'érosion chimique est équivalente à l'érosion physique dans les régions de plaine (et faible), alors que les régions montagneuses sont caractérisées par une érosion mécanique ou physique beaucoup plus forte que l'érosion chimique. L'intensité d'altération chimique W/D (voir Figure 6) varie de 0,89 pour le Saint Laurent au Québec (Canada) à 0,05 pour le Brahmapoutre (péninsule indienne). Pour l'ensemble de la planète, l'érosion mécanique est 10 fois plus forte que l'altération chimique.

Source - © 2019 J. Gaillardet – C. Valentin

Figure 7. Histogramme de l'érosion physique et chimique calculée pour quelques grands fleuves de la planète

Ces vitesses moyennes cachent de grandes disparités. Taïwan est connu pour avoir des vitesses de dénudation extrêmes (de l'ordre de 5 mm/an) qui peuvent correspondre notamment à l'importance des glissements de terrain, souvent associés aux typhons et/ou aux séismes. Les îles volcaniques sont également caractérisées par des vitesses d'érosion très fortes, comme par exemple l'ile de La Réunion dont les grandes cirques se creusent à la vitesse de 1 à 10 mm/a.

Source - © 2012 D'après D.R. Montgomery [1], modifié

Figure 8. Ordres de grandeur de la dénudation (physique et chimique) suivant le contexte géomorphologique et importance de l'agriculture (conventionnelle) comme facteur d'érosion

Alors que les surfaces cultivées sont généralement plates, l'action des humains induit une érosion équivalente à celle des fortes pentes des grandes chaînes de montagne.

L'action de l'Homme sur l'érosion est très bien visible sur la Figure 8 tirée du livre Dirt [1] de David Montgomery. L'action de l'agriculture intensive a multiplié l'érosion par 10 à 100. Les surfaces cultivées par les humains, pourtant établies surtout dans des plaines, se détruisent à des vitesses que l'on rencontre naturellement dans les régions de montagne. L'érosion est dès lors un excellent marqueur de l'Anthropocène.